半导体LED照明光源的技术进展与前景

GaN基化合物半导体材料技术和器件制造工艺的迅速发展已经引起了全世界的密切关注，成了近期半导体光源技术的发展热点，是许多国家政府能源战略关注的热门技术。

　　近几年间半导体光源已经成为红外波段的主要光源。然而,在可见光和紫外光光源领域，传统的白炽灯和气体放电灯仍占主导地位。最近几年，由于GaN基化合物半导体材料技术和器件工艺等取得了突破性的进展，把半导体光源的工作波长从过去的红外和近红外波段拓宽到了可见光和紫外光波段。GaN光源器件的发光效率已经提高，工作波长已经完全填满了可见光波段，并扩展到了紫外波段，成本正在大幅度地下降，展现出了广阔的应用前景。

　　半导体的优势

LED光源
　　与传统的真空白炽灯泡等相比，半导体LED光源具有无可比拟的优点。

　　1．寿命长、成本更低。半导体LED的工作寿命极长，是传统照明器具的10倍以上，有效降低了成本；

　　2．功耗低、发光效率高、节省能源，是未来能源战略的合适候选者。如使用一个135W的白炽灯作12英寸的红色交通信号灯，其产生的发光强度达2000流明以上，却仅有大约200流明的光能穿过红色滤光片，仅利用了其发光强度的十分之一，而用12个12W的红光大功率半导体LED也可达到2000流明，但因不需使用滤光片而可以全部利用；而且用同样的方法也可产生相同强度的琥珀色和绿色光。

　　3．半导体LED光源的体积小、重量轻、适应性强，为设计和应用提供了极大的灵活性；

　　4．由于白光大功率LED光源是固体灯泡，无需封装在真空玻璃内，因而耐冲击和碰撞；

　　5．LED光源还是一种无污染的无汞光源，符合欧洲RoHS指令。

　　技术进展

　　GaN化合物半导体（如InGaN)、SiC材料技术和器件工艺等方面的突破，导致了可见光和紫外光波段的半导体光源技术的飞速发展，使这种光源的应用发生了革命性的变化。薄膜技术的进步提高了发光效率和发光强度。图1显示了用InGaN材料制作的半导体LED的发射光波长和色彩。

图1. 用InGaN材料制作的LED的发射光波长和色彩。

半导体LED技术已经从小芯片、低发光强度的指示器发展到了高功率、低功耗的光源。大型芯片的白光LED是一种革命性的发光技术，这种技术在发光效率和其它关键参数方面都已超过了许多普通的光源技术。图2显示出了半导体LED光源发光效率持续改进的时间表，图3是InGaN高效率发光不断取得的进展。这种薄膜LED采用了独具一格的剥离工艺技术产生高效率、可控和顶部出光的结构。

图2. 半导体LED光源性能持续改进的时间表。
　　
　　新的半导体光源

　　由于半导体LED光源技术的快速发展，相继出现了一系列新的LED光源产品。过去的几年中已经先后出现了硅和塑料透镜一起封装的大功率七色光LED和白光LED光源产品，寿命长、发光效率高和功率大的半导体LED光源的前景非常光明，而且市场上已经出现了这种大功率白光LED光源产品。

　　彩色半导体LED光源

　　单色可见光LED光源的寿命和单位使用成本（元/流明/小时)能与传统的白炽灯竞争。因此，它们正在交通信号灯、汽车尾灯、车内灯和液晶显示器背光领域逐渐取代白炽灯红、绿、蓝混合的白光LED光源，红、绿、蓝三色LED光源混合起来也能产生宽频带的白色光。白光LED光源的发光效率是通用白炽灯泡的2倍，单位使用成本只有后者的1/2。
　　

图3. InGaN高效率发光不断取得的进展，发光效率持续提高。

　　目前存在的一个突出难题是，如何填补黄绿光波段，因为在该波段的发光效率极低。许多实验室都极为重视研发一种含In量高的GaInN合金材料，这种材料最有希望填补该波段。

　　紫外发光LED光源

　　这种LED光源还远不如可见光LED光源成熟，但是正在快速发展。已经开始应用到的一些领域，如生物介质检测、钱币特征识别、微生物细菌污染水的净化、牙科和材料医学（如环氧树脂、粘合剂和墨水）、药品、化妆品的的处理等。
这种技术目前所面临的突出难题是如何了解和控制好含Al量高的AlGaN合金材料。

　　广阔的应用市场

　　白光半导体LED光源是该领域的主流技术，其色彩方面的广泛应用和其自身固有的技术优势使之能与传统的白炽灯相匹敌,而且寿命的延长和电路与光学方面的进展促进了供应商、中间商和相关配件厂商形成的产业链迅速扩大,导致了LED产品销售量的猛增。

　　LED光源已经进入了非常多的领域：

　　1．各类交通工具，包括小轿车、载重汽车、客车、军用车辆、火车和飞机等是LED光源应用的一个市场。LED光源在汽车领域的应用可以降低维修成本、延长使用寿命、保证高亮度、减少功耗和发热、具有饱和色度和设计灵活性。主要应用功能分成两个方面：内部灯光和外部灯光照明。

　　内部照明：包括开关、声频/气候控制系统、娱乐系统、仪器仪表和驾驶员/乘客的车内照明，仪器仪表读数与地图光照。绝大多数这些应用都要求按钮、隔离区和图标有背透光。这种照明通常是对驾驶室和乘客车厢进行光照调整。
车辆的外部照明：外部汽车车灯应用包括刹车灯、尾灯、转向灯和前灯。

　　发光效率的提高、成本的不断降低、供应链的完善和工艺的进步使新汽车以高于75%的增长率安装这种新出现的半导体LED光源。

　　2．城市交通、地铁、公路、铁路、港口和机场的信号指示灯和强光灯市场；

　　3．宾馆、酒楼和酒吧等豪华建筑的灯光和内外灯饰。

　　4．公共娱乐场所场所的灯光照明和彩灯装饰；

　　5．建筑泛光照明和装饰彩灯；

　　6．机器人视觉系统、数码相机和手机等的照明和显示；

　　7．各种广告牌和大面积视频广告牌以及地名标识等。

　　随着LED发光功率和产量的不断提高，预期LED将不断地扩展其在传统发光技术领域的应用。

需要解决的问题与前景

　　尽管半导体LED光源应用前景广阔，但必须解决其高热量的问题。

　　用多个大功率半导体LED光源组合成的LED发光灯泡或显示屏幕会产生大量的热。和绝大多数半导体元器件一样，这种大功率的半导体LED光源在极高的工作温度下会导致性能下降、可*性差和使用寿命缩短，因而对发热量加以控制使其工作温度保持在规定的范围内，是保证其最佳性能的关键。目前，绝大多数的大功率LED制造厂商都会向用户提供LED热管理和灯泡应用指南，同时许多照明解决方案都对常用的电路板作了修改以便把LED和与之相匹配的光学器件安装在一起。

　　国内外大功率半导体LED光源技术目前仍处于发展阶段，要达到大批量生产和应用，还存在价格问题，取代普遍使用的真空型白炽灯泡尚需若干年的时间。但是由于其性能对许多应用领域具有极大的吸引力，相信随着这种技术的快速发展，将渗透到发光应用的各个领域。